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Les atomes sont constitués d’un noyau, composé de neutrons et de protons, et d’électrons qui orbitent autour du noyau . Les trajectoires que décrivent les électrons, les endroits de l’espace de l’atome qu’ils parcourent, constituent un aspect fondamental des réactions chimiques et des structures atomiques et moléculaires qu’elles constituent. Les endroits dans l’espace des atomes où les électrons voyagent sont les orbitales . L’orbitale la plus simple est celle du seul électron que possède l’atome d’hydrogène, qui est sphérique. Mais comme les éléments ont un plus grand nombre d’électrons, les orbitales à travers lesquelles ils se déplacent sont de plus en plus complexes, jusqu’à arriver au cas de l’uranium, qui a 92 électrons, et qui est l’élément naturel avec le plus grand nombre d’électrons.
Mécanique quantique et électrons dans les atomes
La forme des orbitales ainsi que d’autres propriétés des électrons des atomes sont décrites par la mécanique quantique, qui établit que les paramètres physiques tels que l’énergie et la position ont des valeurs définies ; ce ne sont pas des paramètres continus comme en mécanique classique, où ils peuvent avoir n’importe quelle valeur. L’énergie des électrons, comme les lieux par lesquels ils transitent dans l’espace des atomes, ne peuvent donc avoir que des valeurs définies.
L’énergie et la position d’un électron en orbite autour du noyau d’un atome sont décrites par une fonction mathématique appelée fonction d’onde , qui est une solution de l’ équation de Schrödinger . Cette fonction représente la probabilité que l’électron puisse se trouver dans une certaine position à un certain moment. Et maintenant nous parlons de probabilité parce que la mécanique quantique établit également qu’il n’est pas possible de déterminer exactement deux paramètres physiques d’une particule comme l’électron , tels que l’énergie et le temps, ou la position et la quantité de mouvement (quantité de mouvement : le produit de sa masse fois sa vitesse) de la particule.
nombres quantiques
La fonction qui représente la probabilité que l’électron puisse se trouver dans une certaine position à un certain instant est le produit de quatre fonctions : trois liées à la position de l’électron (l’une dépendant de la distance au noyau de l’atome et les deux autres dépendant de ses coordonnées angulaires) et le reste lié à la rotation de l’électron. Ces fonctions incluent ce qu’on appelle les nombres quantiques , qui sont au nombre de quatre :
- Le nombre quantique principal n , associé à l’énergie de l’électron et ayant des valeurs entières positives.
- Le nombre quantique azimutal l , associé au moment cinétique de l’électron (moment cinétique : produit de sa masse par sa vitesse de rotation) qui s’exprime en lettres ; s pour 1 = 0 ; p pour l =1, d pour l =2, f pour l =3. La nomenclature du nombre l avec lettres trouve son origine dans l’étude des spectres des métaux alcalins, dans laquelle les raies spectrales étaient regroupées, par leur nom en anglais, en dièse ( well-defined, s ), principale (main,p ), diffus (diffuses, d ) et fondamentaux (fondamentaux, f ).
- Le troisième est le nombre quantique qui est le magnétique m ou ml associé à l’orientation du moment cinétique de l’électron . La variation de ce nombre quantique produit, par exemple, les cinq distributions lobaires d’éléments qui ont des orbitales 3d montrées sur la figure. Cette répartition des électrons est très importante, puisqu’elle correspond à des éléments qui composent divers matériaux présents dans notre vie quotidienne, les métaux de transition chrome, cobalt, cuivre, fer, nickel, manganèse, scandium, titane et vanadium. Dans le cas de s niveaux , le nombre quantique magnétique m ln’autorise que les orbitales sphériques (voir la figure); dans les niveaux p , il permet trois formes d’orbitales et dans le f , il permet 7 formes d’orbitales.
Le quatrième nombre quantique est m s , le spin de l’électron, associé à sa rotation.
La structure électronique des atomes
La structure des électrons de chaque élément se constitue suivant la progression des nombres quantiques, selon les conditions que chacun comporte. La progression est la suivante (l’entier est le nombre quantique principal n et la lettre est le nombre quantique azimutal l ) :
1 s , 2 s , 2 p , 3 s , 3 p , 4 s , 3 j , 4 p , 5 s , 4 j , 5 p , 6 s , 4 f , 5 j , 6 p , 7 s , 5 f
De plus, il faut considérer que chaque orbitale peut contenir jusqu’à deux électrons de spin opposé , donc les niveaux s peuvent avoir jusqu’à 2 électrons ; les niveaux p , qui ont 3 orbitales autorisées par le nombre quantique magnétique ml , peuvent avoir jusqu’à 6 électrons ; les coques d , qui ont 5 orbitales autorisées (voir la figure), peuvent contenir jusqu’à 10 électrons, et les coques f , qui ont 7 orbitales autorisées, peuvent contenir jusqu’à 14 électrons.
Suivant ce critère, l’hydrogène (H), qui n’a qu’un seul électron, aura une structure 1 s 1 , où l’exposant 1 indique qu’il n’y a qu’un seul électron dans l’orbitale 1 s . L’hélium (He), à deux électrons, aura une structure 1 s 2 (deux électrons dans l’ orbitale s ). Le lithium (Li), à trois électrons, aura une structure électronique 1 s 2 2 s 1 . Et ainsi de suite. Le fer (Fe), par exemple, qui a 26 électrons, aura une structure électronique 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p6 3 j 6 4 s 2 ; chacun des 26 électrons du fer transite par les orbitales établies par cette structure électronique.
NOTE
Il faut tenir compte du fait que bien que le mot orbitale suggère la notion d’« orbite », les électrons en réalité, et malgré les modèles atomiques initiaux, ne se déplacent pas autour du noyau en effectuant des orbites, mais plutôt « transitent » d’une orbitale à une autre ., lorsque l’atome en possède plusieurs, soit ils restent dans la seule orbitale de l’atome (cas de l’hydrogène et de l’hélium), soit ils vont sur une orbitale commune aux atomes qui forment une liaison chimique covalente.
Sources
E. Pavarini, E. Koch, F. Anders et M. Jarrell. Théorie du champ cristallin, méthode de liaison serrée et effet Jahn-Teller. Électrons corrélés : des modèles à la modélisation et à la simulation des matériaux Vol. 2. Forschungszentrum Jülich, 2012, ISBN 978-3-89336-796-2.
JJ Murrell, SFA Kettle, JM Tedder. La liaison chimique. Deuxième édition. John Wiley et fils. 1985.
Roger G. Burns. Applications minéralogiques de la théorie du champ cristallin. Deuxième édition. La presse de l’Universite de Cambridge. 1993.
Martin González Soto. Que sont les nombres quantiques, NANOVA https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi22f7M3IT2AhWEjaQKHTpjDiAQFnoECEwQAQ&url=https%3A%2F%2Fnanova.org%2Fque – sont-les-nombres-quantiques%2F&usg=AOvVaw3UoxJOhbgXxBBSGz6R6zxr